电子回旋辐射成像诊断的远程信号调控系统-答辩PPT.pptx

电子回旋辐射成像诊断的远程信号调控系统,答辩人： 导 师： 日 期： 单 位： 中国科学技术大学物理学院,中国科学技术大学硕士论文答辩,提 纲,1、ECEI系统屏蔽优化 原有屏蔽层介绍 优化方案以及实验验证 ECEI屏蔽总结 2、ECEI远程信号调控系统 ECEI系统在EAST面临的问题 本振源和系统供电的远程控制 电子学模块信号调控系统 ECEI远程控制总结 3、高速宽频电磁谱仪的研制 背景介绍 系统结构以实现方式 快速宽频电磁谱仪总结,2,ECEI系统基本参数介绍,ECEI系统在EAST上的位置以及周边环境,R0 = 1.85 m; a = 0.45 m; Bt = 2.0~2.5 T 电子密度 ne = 2.5~4.0 x 1019 /m3 辅助加热系统: ICRF, NBI, ECRH (140 GHz) LHCD (2.45 GHz & 4.6 GHz),ECE Imaging (384 channels) 信号带宽: 90-155 GHz (F-band) 24 极向×16 径向 覆盖范围 : 600 mm (poloidal) ×180 mm (radial) 时间分辨率~ 1 μs 可测量范围[ -0.56, 0.99 ] (typical B=2.4 T) 2012年开始成功实现了首次运行,3,提 纲,1、ECEI系统屏蔽优化 原有屏蔽层介绍 优化方案以及实验验证 ECEI屏蔽总结 2、ECEI远程信号调控系统 ECEI系统在EAST面临的问题 本振源和系统供电的远程控制 电子学模块信号调控系统 ECEI远程控制总结 3、高速宽频电磁谱仪的研制 背景介绍 系统结构以实现方式 快速宽频电磁谱仪总结,4,原有屏蔽层介绍,ECEI系统初始的屏蔽状态,ECEI系统第一次优化后的屏蔽状态,1,2,5,低杂波加热对ECEI的影响,在2.45GHz低杂波注入功率为1MW左右时，ECEI系统大部分信号正常。但是4.6GHz低杂波以1.5MW注入时，ECEI系统受到了严重干扰。 2.45GHz低杂波在EAST的N窗口，几乎与ECEI系统位置相对距离较远。4.6GHz低杂波在ECEI系统旁边。,6,屏蔽原理以及原有屏蔽的缺陷,《电磁兼容设计基础及干扰抑制技术》钱照明等著，P67,电磁波在界面的反射和透射,7,LHCD干扰源方向验证(I),根据IEC电磁兼容标准，波导管作为工业及科学射频设备，在3m范围内的辐射上限为100dB(μV/m)。,ip,ne,2.45GHz LHCD 入射功率,2.45GHz LHCD 反射功率,4.6GHz LHCD 入射功率,4.6GHz LHCD 反射功率,,Time (s),8,LHCD干扰源方向验证(II),为验证吸波海绵对2.45GHz干扰信号有吸收作用，以无线路由器作为干扰源，放置在ECEI系统附近，通过手持示波器实时对比使用吸波海绵遮挡前后ECEI系统信号。,未使用吸波海绵包裹前，干扰信号约1.5V，达到饱和电压,角锥形吸波海绵作为屏蔽材料,9,LHCD干扰源方向验证(III),吸波海绵,使用吸波海绵遮挡EAST窗口，以及ECEI系统光路和天线信号入射口。遮挡后，在EAST正常低杂波放电条件下，开启ECEI系统采集信号。,低杂波确实来自窗口内,10,干扰途径验证,使用实心铝板代替高通滤波板，安装在天线信号入口处，在EAST正常放电过程中打开ECEI系统，采集信号。,实心铝板,,同轴线缆是目前屏蔽状态下，引入低杂波干扰的主要途径,11,针对干扰源和干扰途径提高屏蔽效能,角锥形吸波海绵,降低环境噪声水平,提高屏蔽效能,使用角锥形吸波海绵可以有效提高屏蔽效能，同时可以避免单一金属屏蔽层会导致周围环境噪声水平较高的问题，通过吸波海绵的吸收可有效降低了噪声水平，减小了后方线缆及其他位置的屏蔽难度。,12,提高系统的稳定性和可恢复性,13,屏蔽系统进一步升级的计划,,由于主要干扰来自于窗口内低杂波的反射，因此针对该干扰源位置从根源上降低噪声水平是最好的屏蔽方法。目前的计划是在窗口位置使用高通滤波的方式将干扰信号（2.45GHz和4.6GHz）滤除，同时不影响ECE信号，实现干扰信号幅度水平的降低。,14,ECEI系统屏蔽总结,实验,结果,结论,1、ECEI系统目前实现了在低杂波注入功率在 2MW以下时能获得正常的信号，屏蔽系统屏蔽效能更高。 2、屏蔽系统的成功升级为ECEI系统在EAST上实验提供了硬件基础，获得了更多有效数据，在2016年的实验中共采集到3600炮有效数据，为进一步的物理分析提供了基础， 3、ECEI系统的屏蔽对以后其他诊断和装置的屏蔽具有借鉴意义，如将来的MIR等。,15,提 纲,1、ECEI系统屏蔽优化 原有屏蔽层介绍 优化方案以及实验验证 ECEI屏蔽总结 2、ECEI远程信号调控系统 ECEI系统在EAST面临的问题 本振源和系统供电的远程控制 电子学模块信号调控系统 ECEI远程控制总结 3、高速宽频电磁谱仪的研制 背景介绍 系统结构以实现方式 快速宽频电磁谱仪总结,16,ECEI系统在EAST实验面临的问题,实验大厅进入限制，需要ECEI系统实现远程控制,ECEI系统存在诸多手动控制,EAST实验条件（加热等）频繁变化,电子学模块衰减调节开关,BWO源,聚焦透镜步进发电机,17,ECEI系统供电和本振源的远程控制,18,远程信号调理系统：系统的需求,ECEI系统需要幅度范围合适的输出信号,ECEI系统需要适应EAST上多变的条件变化,19,远程信号调理系统：衰减调节的原理,,通过拨码开关选择10K电阻(A位置)是否被短接到地电平，以此实现衰减芯片控制端电压的调节。如若要实现远程控制，只要实现可在B位置远程提供0V或者-5V电压即可。,20,远程信号调理系统：硬件组成与设计(I),,,C,,21,远程信号调理系统：硬件组成与设计(II),Arduino UNO单片机,电压转换电路结构图,串并转换电路的结构图,电路整体原理图、PCB图以及实物图,22,远程信号调理系统：控制软件及单片机程序,Arduino单片机可以通过网络扩展卡实现网络通信功能，使用LabVIEW软件编写控制程序以及用户界面，控制软件通过网络与单片机实现通信，控制单片机的输出到电路的信号，实现远程控制,23,远程信号调理系统：集成与测试(I),使用1.5U的铝质机箱，将Arduino UNO单片机、信号转换电路和供电电源安装在机箱中，机箱输入有电源输出、网络输入和单片机烧录接口，输出为两个SCSI接口用于输出控制信号。,24,远程信号调理系统：集成与测试(II),25,远程信号调理系统：集成与测试(III),a,b,（a）手动控制和远程控制的结果 （b）手动控制和远程控制的结果（取对数坐标）,使用微波源为电子学模块提供信号，并分别通过手动和远程方式调节衰减值，测试输出结果。 从a和b的测试结果可以看出，远程信号条理系统工作正常（手动控制和远程控制的曲线相吻合），并且调节效率远远高于手动调节。至于两条曲线的差异，主要由于测试针对两个不同模块进行，由于模块芯片的差异（如不同VCO芯片的输出功率），造成了输出幅度的些许区别。,26,ECEI远程控制总结,ECEI系统为了更加适应托卡马克实验和保证自身的正常运行，在不断地发展着远程控制功能。目前已经实现的远程控制有：ECEI系统远程开关机、聚焦透镜位置的远程调节、本振源的远程控制和电子学模块远程信号调理。 ECEI系统的远程开关机、透镜位置以及本振源的远程调节，可以有效提高系统的工作效率，减少进入EAST实验大厅的次数，有效保障了ECEI系统的正常运行和调节。 电子学模块的远程信号调理系统可以实现模块输出的远程调节，防止EAST不同加热的功率变化造成的ECEI信号超出采集卡量程，保证系统获得正常幅度的信号。同时远程控制提高了工作效率，同时对于ECEI系统的其他位置远程具有借鉴意义。 远程控制还是随着实验不断发展的，目前完成了部分远程控制，保证了系统的一些基本参数的调节。在将来的工作中可以对信号调理系统进行升级实现反馈控制，使控制系统更加智能。同时在屏蔽升级后可以尝试实现ECEI高通滤波板切换的远程控制，完整实现成像区域的远程调节。,27,提 纲,1、ECEI系统屏蔽优化 原有屏蔽层介绍 优化方案以及实验验证 ECEI屏蔽总结 2、ECEI远程信号调控系统 ECEI系统在EAST面临的问题 本振源和系统供电的远程控制 电子学模块信号调控系统 ECEI远程控制总结 3、高速宽频电磁谱仪的研制 背景介绍 系统结构以实现方式 快速宽频电磁谱仪总结,28,高速宽频电磁谱仪研制,在2016年的高温等离子体诊断会议（HTPD）中，韩国KSTAR微波组的报告中介绍了一种射频频谱分析诊断。该诊断将宽带接收天线放置在装置窗口附近接收空间电磁辐射，使用射频电路对接收信号进行滤波分段和检波，可以实现快速实时地监测周围环境的辐射频谱。,29,系统组成以及实现方式：碟形天线仿真,30,系统组成以及实现方式：射频电路仿真和设计(I),由于不同环境下天线接收到的辐射信号的强度不同，因此需要放大器和可调衰减器等配合使用，保证输入信号幅度可调。该电路设计的带宽为50-1000MHz（与天线相同），主要依据是KSTAR的实验结果表明只在200MHz和300MHz的频率范围内看到了相应信号。根据设计，电路的输入信号幅度范围约为-86dBm~-10dBm，检波器的输出范围为0V~1.2V，检波器的视频带宽为16MHz，在高速采集的辅助下可以实现实时监测。,31,系统组成以及实现方式：射频电路仿真和设计(II),32,高速宽频电磁谱仪总结,由于该项工作启动较晚，目前只完成了上述工作内容。后续的工作主要包括，根据原理图绘制PCB图并进行射频电路的布局和布线，再由PCB电路板图交付成产并焊接相应电子元件，射频电路制作完成后对电路进行测试，如扫频测试和扫功率测试等，根据测试结果对设计进行调整。同时还需要对天线进行参数优化和制作，并将其与射频电路组合进行实际测试。 高速宽频电磁谱仪总结： 该诊断方式可以监测装置周围的电磁辐射，获得等离子体内磁重联等物理过程产生的电磁辐射的频谱，辅助其他诊断分析等离子体内的物理过程演化。 系统设计的带宽为50-1000MHz，视频带宽为16MHz，理论上可以满足实验需求，实现环境中电磁辐射频谱的实时监测。 高速宽带电磁谱仪的制作涉及了天线以及射频电路相关理论，通过该诊断的设计可以为微波成像组积累微波和射频相关设计经验。,33,总结与展望,在硕士论文工作期间主要完成了以下工作： 完成了ECEI系统屏蔽的进一步优化，保证了ECEI系统在低杂波加热功率为2MW以下时可以获得良好数据，为进一步的数据分析提供了基础。 完成了ECEI系统部分远程控制的设计和制作，主要包括ECEI系统供电远程控制、本振源的远程控制和电子学模块的远程信号调理系统，实现了ECEI系统的基本远程控制功能，提高了工作效率。同时远程信号调理系统保证了ECEI系统输出信号在采集卡幅度范围内，使系统获得更多有效信号。 最后根据KSTAR微波组的RF Spectrometer设计了高速宽频电磁谱仪，用于实时监测等离子体装置周围电磁辐射，分析并得到由于磁重联或者MHD不稳定性等产生的电磁辐射频谱，辅助其他诊断分析物理演化过程。 以上工作在后续还可进一步优化和发展，在屏蔽方面可以针对干扰源进行优化提高屏蔽效能，在远程控制方面可以发展更加智能的控制方式如反馈控制等，在电磁谱仪方面还需继续进行电路和天线设计，完成设计方案。,34,致谢,感谢刘老师和谢老师的悉心指导和教诲！ 感谢KTX实验室以及等离子体专业各位老师和组内同学的帮助！ 感谢各位评审专家的莅临指导！,35,